雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)冷卻計(jì)算方法研究

方世蓉，吳桂珍，任勝偉

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雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)冷卻計(jì)算方法研究

方世蓉，吳桂珍，任勝偉

（北京三一電機(jī)系統(tǒng)有限責(zé)任公司，北京 102206）

在開發(fā)高、中速系列雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)的過(guò)程中，應(yīng)用流體力學(xué)、傳熱學(xué)、電磁學(xué)等多個(gè)學(xué)科的知識(shí)，本文對(duì)雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)采用的通風(fēng)冷卻結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究，歸納總結(jié)出一套計(jì)算雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)溫升的方法。試驗(yàn)證明，該方法是行之有效的，可以指導(dǎo)冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

雙饋；風(fēng)力發(fā)電機(jī)；冷卻；溫升

1 前言

近幾年，隨著風(fēng)電行業(yè)的發(fā)展，裝機(jī)容量不斷擴(kuò)大，單機(jī)功率也不斷增加。雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)作為目前風(fēng)電行業(yè)的主流發(fā)電機(jī)，開發(fā)應(yīng)用時(shí)間并不長(zhǎng)，電機(jī)的冷卻設(shè)計(jì)與計(jì)算沒(méi)有成型方法，加之電機(jī)運(yùn)行環(huán)境惡劣，經(jīng)常出現(xiàn)繞組溫升過(guò)高的現(xiàn)象，影響電機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行。

為解決上述問(wèn)題，使電機(jī)設(shè)計(jì)階段的計(jì)算溫升更準(zhǔn)確，本文在大型電機(jī)冷卻計(jì)算方法的基礎(chǔ)上，參考了國(guó)內(nèi)外有關(guān)通風(fēng)系統(tǒng)計(jì)算分析的方法，對(duì)雙饋發(fā)電機(jī)采用的通風(fēng)冷卻結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究，歸納總結(jié)出一套計(jì)算該類型電機(jī)溫升的方法，用來(lái)指導(dǎo)雙饋發(fā)電機(jī)冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)以及新型冷卻結(jié)構(gòu)的開發(fā)。

2 理論研究

該計(jì)算方法主要分為通風(fēng)計(jì)算、損耗加載、溫升計(jì)算三部分，其中通風(fēng)計(jì)算采用通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)計(jì)算的基本原理，電機(jī)的損耗根據(jù)雙饋發(fā)電機(jī)的損耗分布特點(diǎn)進(jìn)行加載，溫升計(jì)算采用的是等效熱網(wǎng)絡(luò)法。下文將分別進(jìn)行詳細(xì)的分析和說(shuō)明。

2.1 通風(fēng)計(jì)算

首先，假設(shè)通風(fēng)系統(tǒng)內(nèi)的冷卻空氣處于穩(wěn)定、連續(xù)的循環(huán)流動(dòng)狀態(tài)；由于系統(tǒng)內(nèi)的冷卻空氣流速不高，認(rèn)為其具有不可壓縮性。

（1）等值風(fēng)路

通風(fēng)冷卻系統(tǒng)內(nèi)冷卻空氣的過(guò)流通道可以簡(jiǎn)化為由集中參數(shù)構(gòu)成的類似于電路的支路，如圖1所示，其為通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)[1]。

圖1 等值風(fēng)路

流體流過(guò)該風(fēng)路時(shí)有：

——風(fēng)阻值；

——流過(guò)風(fēng)阻的流量；

——過(guò)流面積；

——壓源。

（2）等效風(fēng)阻

式中——流體在工程單位制中的密度；

——流道的沿程阻力系數(shù)；

——流道的長(zhǎng)度；

——流道的水力直徑/當(dāng)量直徑。

（3）壓源

等值風(fēng)路中的壓源來(lái)自于風(fēng)扇或等效風(fēng)扇旋轉(zhuǎn)引起的壓力升高，軸流風(fēng)扇葉片提供的壓頭計(jì)算公式為：

式中——?dú)饬骱铣伤俣龋?/p>

——葉片數(shù)目；

——葉片寬度；

D——風(fēng)扇直徑；

C——升力系；

x——阻力系；

——?dú)饬髁魅虢牵?/p>

轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的理論壓頭可參照離心風(fēng)扇的計(jì)算方法得到：

（4）通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)計(jì)算

在通風(fēng)系統(tǒng)內(nèi)，流入和流出同一流道的冷卻氣體，流量應(yīng)該相等。于是，對(duì)應(yīng)于通風(fēng)計(jì)算網(wǎng)絡(luò)中的每個(gè)節(jié)點(diǎn)均應(yīng)有：

式中：q——流入或流出節(jié)點(diǎn)的流量。

根據(jù)能量守恒定律及流體伯努利方程，對(duì)于通風(fēng)計(jì)算網(wǎng)絡(luò)中的任意閉合回路，冷卻流體的流動(dòng)壓力變化總和均應(yīng)為零，即：

對(duì)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)選定好基本回路就可以列出基本回路方程和節(jié)點(diǎn)流量方程，解出電機(jī)各點(diǎn)的冷卻空氣流量[1]。關(guān)于該元二次方程的求解，隨著數(shù)值計(jì)算軟件的發(fā)展已不是難題。

2.2 損耗加載

電機(jī)的損耗即為發(fā)熱源，包括：定、轉(zhuǎn)子鐵耗、定、轉(zhuǎn)子銅耗、機(jī)械損耗、雜散損耗等，損耗值均由電磁計(jì)算得到。

根據(jù)雙饋發(fā)電機(jī)的特點(diǎn)，將定子銅耗分為兩部分分別加載于定子繞組的直線部分和端部；定子鐵耗根據(jù)材料用量分為齒部鐵耗和軛部鐵耗，分別加載于定子齒部和軛部；轉(zhuǎn)子齒諧波和轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)高次諧波在定子表面產(chǎn)生的損耗加載于定子齒頂部。轉(zhuǎn)子損耗的加載方式與定子類似。風(fēng)摩損耗根據(jù)通風(fēng)結(jié)構(gòu)及各處的風(fēng)速合理分配于各流道面。

2.3 溫升計(jì)算

熱網(wǎng)絡(luò)法是一種以“路”代場(chǎng)的計(jì)算方法，它以傅里葉導(dǎo)熱公式和牛頓對(duì)流換熱定律及穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱微分方程為基礎(chǔ)，將熱源和熱阻集中表示，運(yùn)用網(wǎng)絡(luò)理論計(jì)算溫度場(chǎng)[3]。

由傅立葉導(dǎo)熱公式，有：

Q——總熱量，傳熱功率；

1——導(dǎo)熱面積；

由牛頓對(duì)流換熱定律，有：

2——對(duì)流換熱面積。

繪制好熱路圖和計(jì)算完熱源和熱阻后，就可以根據(jù)節(jié)點(diǎn)熱量平衡關(guān)系列出熱流方程，聯(lián)立某點(diǎn)的熱平衡方程，即可解出各點(diǎn)的溫升值。

3 實(shí)例分析

以我公司生產(chǎn)并已在風(fēng)場(chǎng)運(yùn)行的1.5MW高速雙饋電機(jī)和2.0MW中速雙饋電機(jī)為例，分別將計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)值進(jìn)行對(duì)比分析。

1.5MW高速雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速為1800r/min，采用背包式冷卻器。內(nèi)風(fēng)路采用兩邊進(jìn)風(fēng)的徑向通風(fēng)結(jié)構(gòu)，電機(jī)兩端裝有軸流風(fēng)扇，定轉(zhuǎn)子在軸向相對(duì)應(yīng)的位置上開有12道徑向通風(fēng)溝，形成通過(guò)定、轉(zhuǎn)子徑向風(fēng)溝的主風(fēng)路和通過(guò)定子端部的輔風(fēng)路。其通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)圖如圖2所示。

圖2 1.5MW高速雙饋電機(jī)通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)圖

圖中，Z1至Z25為冷卻空氣過(guò)流通道中的等效風(fēng)阻，H1為軸流風(fēng)扇壓頭，H2為轉(zhuǎn)子端部線圈壓頭，H3為轉(zhuǎn)子風(fēng)溝壓頭。根據(jù)內(nèi)風(fēng)路進(jìn)、出風(fēng)溫差小于30K的要求，假定內(nèi)風(fēng)路流量：

——電機(jī)總損耗；

以此為基礎(chǔ)得到各風(fēng)阻值，并假定軸流風(fēng)扇的工作點(diǎn)。由于電機(jī)結(jié)構(gòu)對(duì)稱，可以半電機(jī)為對(duì)象列方程組求解。將得到的內(nèi)風(fēng)路流量替代之前的假定值重新求解，依此循環(huán)迭代。當(dāng)計(jì)算電機(jī)總流量與假設(shè)風(fēng)扇工作點(diǎn)流量重合時(shí)，即為最終的結(jié)果。

電機(jī)的溫升計(jì)算把定、轉(zhuǎn)子分開，首先假設(shè)電機(jī)鐵心在同一圓周上的溫度是相對(duì)的，也即電機(jī)鐵心內(nèi)不進(jìn)行周向傳熱，所以可以選取一個(gè)齒和一個(gè)齒對(duì)應(yīng)的軛部為計(jì)算單元[1]。據(jù)此做出電機(jī)的等效熱路圖，如圖3所示。

圖3中，四處“接地端”分別表示定子背部、定子內(nèi)表面、定子齒部、定子軛部與冷卻空氣接觸，向空氣散發(fā)熱量。冷卻空氣從轉(zhuǎn)子徑向風(fēng)溝流出后，依次流過(guò)氣隙、定子徑向風(fēng)溝、定子背部。根據(jù)損耗及其分布，由式（9）可求出流經(jīng)這四個(gè)點(diǎn)處風(fēng)的平均溫升值。隨即由圖3列節(jié)點(diǎn)熱流方程和熱平衡方程分別求出繞組、齒部、軛部、內(nèi)表面、外表面的平均溫升。

圖3 定子計(jì)算單元等效熱路圖

轉(zhuǎn)子的溫升計(jì)算類似。

將采用以上方法計(jì)算出的電機(jī)內(nèi)部風(fēng)量和繞組溫升值與試驗(yàn)值進(jìn)行對(duì)比，如表1所示。

2.0MW中速雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速為675r/min，定轉(zhuǎn)子在軸向相對(duì)應(yīng)的位置上開有9道徑向通風(fēng)溝，冷卻結(jié)構(gòu)與1.5MW類似，只是取消了電機(jī)兩端的軸流風(fēng)扇，內(nèi)風(fēng)路壓頭僅由轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生。

表1 1.5MW高速雙饋發(fā)電機(jī)通風(fēng)冷卻的相關(guān)數(shù)據(jù)對(duì)比

將電機(jī)的通風(fēng)計(jì)算和溫升計(jì)算的結(jié)果與試驗(yàn)值進(jìn)行對(duì)比，列于表2中。

通過(guò)比較發(fā)現(xiàn)，兩臺(tái)電機(jī)計(jì)算的總風(fēng)量、定子繞組溫升、轉(zhuǎn)子繞組溫升值與試驗(yàn)值的誤差均在10%以內(nèi)，并且不同工況下、不同電機(jī)的測(cè)量值通常在5%范圍內(nèi)浮動(dòng)。

表2 2.0MW中速雙饋發(fā)電機(jī)通風(fēng)冷卻的相關(guān)數(shù)據(jù)對(duì)比

4 結(jié)論

本文總結(jié)了雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)的溫升計(jì)算方法，即采用通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)法計(jì)算通風(fēng)，根據(jù)電機(jī)結(jié)構(gòu)加載損耗，采用熱網(wǎng)絡(luò)法計(jì)算溫升。使用該方法計(jì)算1.5MW高速雙饋電機(jī)和2.0MW中速雙饋電機(jī)，分析結(jié)果表明，計(jì)算值與試驗(yàn)值非常接近，并且目前雙饋系列風(fēng)力發(fā)電機(jī)的現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行情況也比較穩(wěn)定。

因此，這種雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)的溫升計(jì)算方法是行之有效的，可用于考察該系列電機(jī)的溫升是否滿足絕緣要求，進(jìn)而驗(yàn)證冷卻結(jié)構(gòu)是否合理和有效。

[1] 丁舜年. 大型電機(jī)的發(fā)熱與冷卻[M]. 北京: 科學(xué)出版社, 1992.

[2] 白延年. 水輪發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)與計(jì)算[M]. 北京: 機(jī)械工業(yè)出版社, 1982.

[3] 王松, 王新軍, 俞茂錚. 燃?xì)廨啓C(jī)空氣冷卻系統(tǒng)建模及計(jì)算分析[J]. 燃?xì)廨啓C(jī)技術(shù), 2010, (4).

Research of the Method to Calculate the Temperature in Double-fed Wind Power Generator

FANG Shirong, WU Guizhen, REN Shengwei

(Beijing Sany Electric Motor & System Co., Ltd, Beijing 102206, China)

Through the research and development of serials of double fed generator, based on the theory of hydrodynamics, diathermanous and electromagnetism. This paper studies the cooling system of double-fed generator used in wind power system and concludes a method to calculate the temperature in it. According to the results of a lot of experimentations, this method is proved to be effective and can be used to direct the design of cooling system in double-fed generator.

double-fed; wind power generator; cooling; temperature rise

TM315

A

1000-3983(2013)05-0001-04

2013-09-16

方世蓉（1985-），2007年畢業(yè)于華中科技大學(xué)機(jī)電工程專業(yè)，碩士，現(xiàn)從事電機(jī)冷卻設(shè)計(jì)與研究方面的工作，工程師。

審稿人：李廣德